Ultrahurtig kemisk billeddannelse belyser vejen til monolag og nanometer rumlig opløsning

Siden 1800 -tallet har mikroskopi og spektroskopi metoder har belyst mange aspekter af kemi og fysik, fra at definere atomspektre til at bringe klarhed til Einsteins fotoelektriske effekt.

Nu, i begyndelsen af ​​det 21. århundrede, kemiske billeder genereret via spatiotemporale målinger i høj opløsning kombineret med spektroskopi bringer os tættere på en videnskabelig drøm:at visualisere enkeltmolekyle eller atomskalaer in situ og i realtid. Molekylær forskning i organisk fotovoltaik, polymerer, makro/supermolekylær selvsamling, biomembraner, proteiner, og generelt materie organiseret til at danne nanoskala molekylære strukturer, alle kunne drage fordel af denne spirende ultrahurtige, femtosekund nano-billeddannelse.

For Markus Raschke, professor ved University of Colorado i Boulder og nuværende EMSL Wiley Research Fellow, udviklingen mod at opnå denne videnskabelige innovation er drevet af hans langsigtede interesse for optisk billeddannelse og spektroskopi med ultrahøj rumlig opløsning. Denne interesse bragte ham i første omgang til EMSL som bruger og har siden ført til et næsten fireårigt samarbejde, der har EMSL stående på kanten af ​​at levere billeddannelsesegenskaber med næsten enkeltmolekylær følsomhed.

'Tip' -punktet

Raschke og hans kolleger brugte i første omgang EMSLs mikroskopifunktioner til at demonstrere plasmonisk nanofokusering ved hjælp af et optisk antennekoncept. Metoden anvendte en konisk guldspids og kortpuls excitation for at lette baggrundsfri nærfeltbilleddannelse via spredningstype scanning nærfelt optisk mikroskopi, eller s-SNOM. Kombinationen giver også nanofokusering af femtosekundpulser og optisk kontrol på nanoskalaen. Det åbnede døren til nanoskala ultrahurtig spektroskopi, der kunne skildre materie midt i dets realtid og længde skalaer samtidigt, samt at kontrollere en enkelt kvante -excitation med den unikke lyskilde "på spidsen af ​​en nål, "ifølge Raschke.

"Vi ville designe en nanoskala lyskilde, "Forklarede Raschke." Vi søgte forskellige veje for at nå dette mål og opnå dette for forskellige bølgelængder og tidsskalaer. Fremstilling af disse tips, som fungerer som særlige koniske bølgeledere, sørge for en meget begrænset lyskilde, hvor den optiske feltenergi komprimeres til en meget, meget lille volumen på toppen. "

Selvom det ultrahurtige spektroskopi -aspekt ikke var Raschkes oprindelige mål, succesen i denne indsats tilbød EMSL en utrolig mulighed for at forbedre forståelsen af ​​kemi på overflader og grænseflader - hvor miljø, katalytisk, og biologiske interaktioner opstår, og kemi sker - ved hjælp af sin Scientific Partner Proposal -proces.

Opbygning af et partnerskab

Interesserede partnere, ligesom Raschke og hans kolleger, indsende forslag via EMSL -brugerportalen til team med EMSL -medarbejdere og forbedre eksisterende kapaciteter eller udvikle nye. I dette tilfælde, EMSL's finansiering fra American Recovery and Reinvestment Act lettede udviklingen af ​​den infrarøde, eller IR, spredningstype scanning nærfeltmikroskop, som oprindeligt blev indkvarteret på Raschkes laboratorium, da han og hans team byggede, testet, og optimeret den nye kapacitet. Tidligere i år, det tilpassede IR s-SNOM mikroskop blev flyttet ind i sit hjem på EMSL, hvor Raschke, sammen med EMSL -videnskabsmand Ian Craig, er stadig i gang med at finpudse dens udvikling og applikationer.

"På EMSL, vi har længe fokuseret på teknologi, der beskæftiger sig med forbedret spatiotemporal opløsning, der lader os se på kemi under virkelige forhold, "sagde David Koppenaal, EMSLs teknologichef. "Dette er en unik kapacitet, der vil levere molekylær information i høj opløsning på nanoskalaen. Og, det supplerer flere mikroskopifunktioner, vi allerede har her. "

Ifølge Raschke, EMSL's videnskabelige samarbejdsmekanisme er også et godt eksempel på tværfaglig og kollaborativ videnskab, den slags investeringer, der motiverer forskere og fremmer nye videnskabelige grænser. Kommer fra den akademiske side, han ved, hvor værdifuld denne interaktion kan være i retning af at opnå håndgribelig innovation.

"Vi havde ikke ressourcer eller infrastruktur til at skabe et instrument med disse vidunderlige evner på det akademiske niveau, "Raschke bemærkede." Partnerskab med EMSL satte det bedste fra begge verdener sammen:dynamikken og entusiasmen på et universitet og ressourcerne og kapaciteten på EMSL. Vi ønsker alle den bedste videnskab. "

Innovatørerne

Efter at have demonstreret s-SNOMs potentiale for at udvide IR-spektroskopi til nanometerskalaen baseret på deres optiske antennekoncept, Raschke og hans kolleger samarbejdede med EMSL for at tage udfordringen op med at forbedre dens spektroskopiske følsomhed.

"Det er velkendt, at du kan se et enkelt molekyle ved hjælp af en atomkraft eller scanning af tunnelmikroskop, men du får ikke spektroskopiske detaljer - og disse teknikker, omend udsøgt følsom, er for langsomme til at få den interne dynamik, "Sagde Raschke.

"Lasere giver dig høj spektral opløsning, og pulserende lasere fortæller dig om dynamik i materie, "fortsatte han." Men, den rumlige opløsning er begrænset for at se på de finere detaljer i den molekylære sammensætning. Det, vi gjorde, var virkelig at kombinere følsomheden og den rumlige opløsning af scanningsprobesmikroskopi med ultrahurtig laserspektroskopi for at få det bedste fra begge verdener. "

Ved at kombinere både spids og substratforbedring hentet fra deres første arbejde med optiske antenner og molekylær Raman-spektroskopi og forbedret signal-til-støj-forhold fra højspektral bestråling IR-pumpe excitation, Raschke og hans kolleger afbildede et selvsamlet monolag, eller SAM, fremstillet af 16-mercaptohexadecansyre, en forbindelse, der bruges til selvsamling til fremstilling af hydrofile SAM'er, på en guldoverflade. De var i stand til at opnå 25 nm rumlig opløsning ved hjælp af deres IR s-SNOM teknik og kunne spektroskopisk bestemme overflademolekylernes kemiske identitet. Mest markant, de slog en rekord i spektral følsomhed og kontrast, får signal fra kun ~ 100 molekylære vibrationer - næsten ni størrelsesordener mere følsomme end konventionel IR -spektroskopi.

"Dette baner vejen mod enkeltmolekylær IR-spektroskopi, "Sagde Raschke." Vi har vist, at du kan få et signal. Vi kigger på 100 molekyler, da jeg før havde kolleger, der ikke troede, at man overhovedet kunne få et signal fra 1 million molekyler. "

Som seniorforsker og samarbejdspartner gennem hele denne indsats, Raschke fortsætter med at udgive artikler, mens han forfiner IR s-SNOM, søger midler til at forbedre sin evne. Han glæder sig også over dens udvikling som et andet unikt instrument, som EMSL tilbyder til bred brug for det videnskabelige samfund. Hans lederrolle er en, han fuldt ud forventer, og er spændt, at fortsætte i de kommende år.

"Hvis du kan se det på et enkelt molekylært enkeltlag, du kan se det på alt, virkelig, "Sagde Raschke." Vi ser, hvordan lys interagerer med materie på naturens ur. Vi ser på elektronernes og atomernes bevægelse i realtid. Vi har set samlinger af atomer gøre dette. Men, du har brug for mange for at få et signal. Nu, vi er ved at nå dertil, hvor vi kan se enkeltpersoners atombevægelse.

"Hundrede molekyler er et vigtigt tal. Det er her atomer bliver en familie. Vi kommer ned til det homogene ensemble, at se stofets hjerteslag, " han tilføjede.